1緒論單片機(jī)控制的雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u5472單片機(jī)控制的雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)案例概述 [5]。S7-200PLC系統(tǒng)組成如圖4-1所示。圖4-1S7-200PLC系統(tǒng)組成2.2下位機(jī)PLC程序流程圖設(shè)計(jì)2.2.1手動(dòng)/自動(dòng)控制程序流程圖雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以選擇手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種控制方式。當(dāng)選擇手動(dòng)控制時(shí)，傳感器部分對(duì)雞舍進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)運(yùn)行手動(dòng)程序，工作人員便可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而啟動(dòng)相應(yīng)的控制模塊。當(dāng)選擇自動(dòng)控制時(shí)，系統(tǒng)會(huì)運(yùn)行自動(dòng)控制程序，傳感器部分對(duì)雞舍環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后傳送到PLC控制器，再由PLC控制器傳送到上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，然后將分析結(jié)果傳輸給PLC控制器，從而自動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制模塊的運(yùn)行。自動(dòng)控制與手動(dòng)控制的程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2自動(dòng)/手動(dòng)控制流程圖2.2.2溫度控制流程圖當(dāng)選擇自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)對(duì)于溫度的控制主要有兩個(gè)流程，分別為降溫流程和加熱流程。系統(tǒng)采用溫濕度傳感器對(duì)雞舍內(nèi)的溫度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)雞舍內(nèi)的溫度大于所設(shè)定的溫度上限值時(shí)，降溫流程啟動(dòng)，系統(tǒng)將自動(dòng)打開(kāi)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行直到雞舍溫度降至溫度上限值以下，延遲10秒后風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行；當(dāng)雞舍內(nèi)的溫度小于設(shè)定的溫度下限值時(shí)，加熱流程啟動(dòng)，系統(tǒng)將自動(dòng)打開(kāi)加熱裝置，加熱裝置持續(xù)加熱直到雞舍溫度增至溫度下限值以上，延遲10秒后加熱器停止運(yùn)行。具體流程如圖4-3所示。圖4-3溫度控制流程圖2.2.3濕度控制流程圖當(dāng)選擇自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)對(duì)于濕度的控制主要有兩個(gè)流程，分別為降濕流程和加濕流程。系統(tǒng)采用溫濕度傳感器對(duì)雞舍內(nèi)的濕度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)雞舍內(nèi)的濕度大于所設(shè)定的濕度上限值時(shí)，降濕流程啟動(dòng)，系統(tǒng)將自動(dòng)打開(kāi)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行直到雞舍濕度降至濕度上限值以下，延遲10秒后風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行；當(dāng)雞舍內(nèi)的濕度小于設(shè)定的濕度下限值時(shí)，加濕流程啟動(dòng)，系統(tǒng)將自動(dòng)打開(kāi)加濕裝置，加濕裝置持續(xù)加濕直到雞舍濕度增至濕下限值以上，延遲10秒后加濕器停止運(yùn)行。濕度控制具體流程如圖4-4所示。圖4-4溫度控制流程圖2.2.4氨氣濃度控制流程圖當(dāng)選擇自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。本系統(tǒng)使用氨氣傳感器對(duì)雞舍內(nèi)的氨氣進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)氨氣濃度大于設(shè)定的上限值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)打開(kāi)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，直到將雞舍內(nèi)的氨氣值降至設(shè)定的下限值以下時(shí)，風(fēng)機(jī)將停止運(yùn)行。氨氣的控制具體流程如圖4-5所示。圖4-5氨氣濃度控制流程圖2.2.5光照度控制流程圖當(dāng)選擇自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。我們將控制光照的遮光板設(shè)備設(shè)定了四個(gè)位置。當(dāng)光照強(qiáng)度大于80時(shí)，我們采用行程開(kāi)關(guān)將遮光板控制于遮光板反限位位置；當(dāng)光照強(qiáng)度小于80，大于等于70時(shí)，遮光板將位于遮光板2_3位；當(dāng)光照強(qiáng)度小于70，大于等于60時(shí)，遮光板將位于遮光板1_3位；當(dāng)光照強(qiáng)度小于60時(shí)，遮光板將位于遮光板正限位；當(dāng)光照強(qiáng)度小于20時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)補(bǔ)光燈。具體流程如圖4-6所示。圖4-6光照強(qiáng)度控制流程圖2.3下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)2.1.1子程序的設(shè)置本監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置了自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，還需要對(duì)雞舍環(huán)境的模擬量進(jìn)行采集，因此本監(jiān)控系統(tǒng)一個(gè)設(shè)置了三個(gè)子程序，分別為自動(dòng)子程序，手動(dòng)子程序和模擬量子程序，子程序的調(diào)用梯形圖如圖4-7所示。圖4-7子程序調(diào)用梯形圖2.1.1傳感器值的讀取與轉(zhuǎn)換雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳感器采集的模擬量需要通過(guò)模擬模塊EM231進(jìn)行模擬量轉(zhuǎn)換，從而輸入到中央處理單元CPU中，然后在CPU中通過(guò)計(jì)算得出真實(shí)的溫度、濕度、氨氣和光照值。以溫度傳感器的讀取和轉(zhuǎn)換為例，其數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4-8所示。同樣的道理，氨氣傳感器、濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器的數(shù)據(jù)分別輸出到VD4、VD8、VD12寄存器中。在梯形圖程序的設(shè)計(jì)中，我們使用S_ITR模塊，其中Input為線性轉(zhuǎn)換的輸入，ISH為輸入值的上限，ISL為輸入值的下限，OSL為輸出值的下限，OSH為輸出值的上限，Output為線性轉(zhuǎn)換后的值。S_ITR模塊的設(shè)置如圖4-9所示。圖4-8溫度與AIW0值對(duì)應(yīng)關(guān)系圖圖4-9S_ITR模塊的設(shè)置圖溫度傳感器的讀取和處理梯形圖設(shè)計(jì)如圖4-10所示。圖4-10溫度傳感器的讀取和處理程序圖2.1.2設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)按鈕本設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，通過(guò)手動(dòng)模式和自動(dòng)模式的子程序的設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)方便切換。當(dāng)選擇按下I0.0開(kāi)關(guān)時(shí)，為系統(tǒng)選擇手動(dòng)運(yùn)行，手動(dòng)指示燈亮；當(dāng)選擇按下I0.1開(kāi)關(guān)時(shí)，為系統(tǒng)選擇自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)指示燈亮。手動(dòng)模式和自動(dòng)模式的切換梯形圖如圖4-11所示。圖4-11手動(dòng)模式/自動(dòng)模式切換程序圖2.1.3控制設(shè)備的運(yùn)行本監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)置了手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，因此無(wú)論在哪種模式下，都要求控制設(shè)備可以可靠的運(yùn)行，以風(fēng)機(jī)運(yùn)行為例，當(dāng)系統(tǒng)為手動(dòng)模式時(shí)，線圈M0.0得電，當(dāng)系統(tǒng)為自動(dòng)模式時(shí)，線圈M1.0得電，無(wú)論哪一個(gè)線圈得電都可以使風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。風(fēng)機(jī)運(yùn)行程序梯形圖如圖4-12所示。圖4-12風(fēng)機(jī)運(yùn)行程序圖2.1.4控制設(shè)備參數(shù)的設(shè)置與處理本監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要設(shè)置溫度、濕度、氨氣和光照的上下限值，使雞舍環(huán)境維持在合適的條件下，在自動(dòng)模式下，控制設(shè)備需要自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，來(lái)控制雞舍環(huán)境的參數(shù)。以溫度控制為例，當(dāng)溫度大于監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定的上限值時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行；當(dāng)溫度小于監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定的下限值時(shí)，加熱器運(yùn)行。溫度控制程序梯形圖如圖4-13所示。圖4-13溫度控制程序圖2.1.5控制設(shè)備的故障顯示當(dāng)控制設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的故障燈則會(huì)有相應(yīng)的顯示。以風(fēng)機(jī)故障為例，當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，熱繼電器FR1閉合，中間繼電器KA4線圈得電，KA4常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，風(fēng)機(jī)故障燈亮起。風(fēng)機(jī)故障顯示程序圖如圖4-14所示。圖4-14風(fēng)機(jī)故障顯示程序圖2.1.6遮光板的控制本監(jiān)控系統(tǒng)的遮光板部分一共設(shè)置為四個(gè)位置，采用行程開(kāi)關(guān)對(duì)其位置進(jìn)行控制。四個(gè)位置分別為遮光反限位、遮光1_3位、遮光2_3位和遮光正限位。以遮光反限位為例，當(dāng)按下行程開(kāi)關(guān)SQ1，輸入I1.6得電，令遮光反限位為位置3，將3寫(xiě)入Vw100。當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，光照度大于80時(shí)，系統(tǒng)將3寫(xiě)入Vw102，然后系統(tǒng)將Vw100與Vw102中的內(nèi)容進(jìn)行比較，從而控制遮光板電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)目標(biāo)位置Vw102大于遮光位置Vw100時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)目標(biāo)位置Vw102小于遮光位置Vw100時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。遮光板控制程序圖如圖4-15所示。圖4-15遮光板控制程序圖2.1.7溫度、濕度與氨氣的耦合控制由于本監(jiān)控系統(tǒng)的溫度控制模塊、濕度控制模塊和氨氣控制模塊的控制設(shè)備都包含有風(fēng)機(jī)這一控制設(shè)備。當(dāng)溫度、濕度、氨氣其中任意一個(gè)因素的當(dāng)前值大于設(shè)定的上限值時(shí)，風(fēng)機(jī)均會(huì)啟動(dòng)，但只有當(dāng)其三者當(dāng)前值都小于所設(shè)定的下限值時(shí)，風(fēng)機(jī)才會(huì)停止運(yùn)行。其三者的耦合控制梯形圖如圖4-16所示。圖4-16溫度、濕度與氨氣的耦合控制程序圖3雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)部分設(shè)計(jì)3.1上位機(jī)組態(tài)界面的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)3.1.1組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典的建立數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)王軟件的核心部分，是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。在數(shù)據(jù)詞典中需要定義變量，如選擇手動(dòng)的命令，變量類(lèi)型選擇I//O離散，采集頻率設(shè)置為100毫秒，選用寄存器M10.0。數(shù)據(jù)詞典的建立如圖5-6所示。圖5-6數(shù)據(jù)詞典的建立本雞舍監(jiān)控系統(tǒng)一共定義了41個(gè)變量，數(shù)據(jù)詞典如圖5-7所示。圖5-7數(shù)據(jù)詞典3.1.2組態(tài)王的動(dòng)畫(huà)連接組態(tài)王的數(shù)據(jù)詞典定義完成后，需要將數(shù)據(jù)詞典的定義變量與組態(tài)王的界面部分建立動(dòng)畫(huà)連接。如組態(tài)王界面中的當(dāng)前溫度，當(dāng)前溫度的對(duì)象類(lèi)型為文本，需要在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中雙擊當(dāng)前溫度按鈕，然后將模擬值輸出和模擬值輸入部分連接數(shù)據(jù)詞典的當(dāng)前溫度變量。當(dāng)對(duì)象類(lèi)型為其它形式時(shí)，所需要?jiǎng)赢?huà)連接的方法也不相同，又如當(dāng)對(duì)象類(lèi)型為按鈕時(shí)，需要定義當(dāng)按鈕按下時(shí)、彈起時(shí)或按住時(shí)的命令語(yǔ)言，當(dāng)對(duì)象類(lèi)型為點(diǎn)位圖時(shí)，可以設(shè)置閃爍、隱含或流動(dòng)的動(dòng)畫(huà)連接。當(dāng)前溫度的動(dòng)畫(huà)連接具體操作如圖5-8所示。圖5-8當(dāng)前溫度的動(dòng)畫(huà)連接3.1.3組態(tài)王的命令語(yǔ)言組態(tài)王的命令語(yǔ)言類(lèi)似于C語(yǔ)言的程序，工程人員通過(guò)這些命令語(yǔ)言來(lái)處理一些算法和操作。組態(tài)王的命令語(yǔ)言有多種實(shí)現(xiàn)方式，本監(jiān)控系統(tǒng)選用在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的畫(huà)面屬性中書(shū)寫(xiě)命令語(yǔ)言。本監(jiān)控系統(tǒng)的命令語(yǔ)言如下：if(\\本站點(diǎn)\加熱器運(yùn)行==1)\\本站點(diǎn)\火焰=\\本站點(diǎn)\火焰+1;if(\\本站點(diǎn)\火焰>8)\\本站點(diǎn)\火焰=0;if(\\本站點(diǎn)\加濕器運(yùn)行==1)\\本站點(diǎn)\加濕=\\本站點(diǎn)\加濕+1;if(\\本站點(diǎn)\加濕>7)\\本站點(diǎn)\加濕=0;if(\\本站點(diǎn)\風(fēng)機(jī)運(yùn)行==1)\\本站點(diǎn)\轉(zhuǎn)動(dòng)=\\本站點(diǎn)\轉(zhuǎn)動(dòng)+1;if(\\本站點(diǎn)\轉(zhuǎn)動(dòng)>1)\\本站點(diǎn)\轉(zhuǎn)動(dòng)=0;3.1.4組態(tài)界面的展示組態(tài)監(jiān)控界面，通過(guò)CPU配合完成對(duì)雞舍環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。雞舍組態(tài)監(jiān)控界面主要包含：控制欄模塊、狀態(tài)欄模塊、數(shù)據(jù)上下限設(shè)定模塊等?？刂茩谀K包括選擇手動(dòng)/自動(dòng)按鈕，當(dāng)選擇手動(dòng)按鈕時(shí)，便可以通過(guò)手動(dòng)操作風(fēng)機(jī)、加熱裝置、加濕裝置、遮光裝置和燈管來(lái)達(dá)到控制雞舍內(nèi)環(huán)境的目的。當(dāng)選擇自動(dòng)按鈕時(shí)，可以選擇自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)停止兩個(gè)按鈕，當(dāng)自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)控制裝置會(huì)自動(dòng)采集雞舍內(nèi)的溫度、濕度、氨氣和光照等環(huán)境因素，通過(guò)核心控制器把采集到的實(shí)際參數(shù)與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的適宜參數(shù)范圍進(jìn)行比較，從而驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作使各個(gè)裝置工作，將雞舍環(huán)境維持在一個(gè)適合雞生長(zhǎng)的條件。當(dāng)按動(dòng)自動(dòng)關(guān)閉按鈕后，自動(dòng)控制裝置將停止工作?？刂茩谀K如圖5-9所示。圖5-9控制欄模塊狀態(tài)欄模塊包括手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)指示、裝置故障顯示以及各個(gè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)顯示。控制欄模塊如圖5-10所示。圖5-10狀態(tài)欄模塊數(shù)據(jù)欄模塊包括溫度、氨氣、濕度和光照的當(dāng)前值顯示以及溫度、氨氣和濕度的上下限值設(shè)定。根據(jù)雞生長(zhǎng)的不同時(shí)期和不同的季節(jié)因素等，我們可以在數(shù)據(jù)欄設(shè)定不同的溫度、氨氣和濕度的上下限值。數(shù)據(jù)欄模塊如圖5-11所示。圖5-11數(shù)據(jù)欄模塊雞舍環(huán)境監(jiān)控模擬界面包含雞舍畫(huà)面，遮光板模塊，風(fēng)機(jī)模塊，補(bǔ)光燈模塊，加熱器模塊和加濕器模塊。模擬界面如圖5-12所示。圖5-12雞舍環(huán)境監(jiān)控模擬界面3.2仿真的實(shí)現(xiàn)3.2.1S7-200模擬器b25c用西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)的編輯器STEP7-MICRO編輯好程序以后，將程序?qū)С鰹锳WL格式的文件，本軟件可以識(shí)別AWL格式的指令，工作方式為解釋執(zhí)行。啟動(dòng)模擬器后，載入AWL格式文件，勾選運(yùn)行框，模擬器開(kāi)始工作，運(yùn)行框旁邊有綠色的工作指示燈，本仿真選用PPI協(xié)議，波特率設(shè)置為9600，PPI延時(shí)設(shè)置為70。S7-200模擬器b25c的運(yùn)行界面如圖5-13所示。圖5-13S7-200模擬器b25c的運(yùn)行界面3.2.2ConfigureVirtualSerialPortDriverVirtualSerialPortDriver是一款?lèi)?ài)不釋手的虛擬串口工具，簡(jiǎn)稱(chēng)為VSPD，是虛擬串口軟件中的佼佼者。它支持快速調(diào)試代碼、添加無(wú)限個(gè)虛擬串口、實(shí)時(shí)虛擬串口數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控等多種功能。創(chuàng)建虛擬串口的方法為在軟件界面找到端口一和端口二兩個(gè)選型，根據(jù)自己的需要在下拉框中選擇端口號(hào)，并添加串口。本仿真選用COM1和COM2兩個(gè)虛擬串口。VirtualSerial